Revestimiento para artroplastia de cadera con Circonia estabilizada con Itria e Hidroxiapatita sustituida con Silicio

Revestimiento para prtesis de caderaa partir de Circonia-Itria e Hidroxiapatita-SilicioIntroduccinPrimeramente, es importante definir que la artroplastia es la ciruga ortopdica que consiste en cambiar o reponer las superficies articulares del cuerpo humano; su objetivo es reemplazar las partes de la articulacin que han sido daadas y aliviar el dolor, cuando no se puede controlar con otros tratamientos o estos ya han fallado. Hay tres tipos de artroplastas, pero la necesaria para el recubrimiento de cadera es la que se basa en reemplazo articular, conocida como artroplastia protsica, que sustituye de forma total o parcial una articulacin con un implante artificial o en este caso un biomaterial, que puede ser llamado prtesis. La artroplastia de cadera de recubrimiento es una alternativa similar y muy efectiva a la artroplastia total de cadera convencional, en la que se realiza una reseccin sea limitada del cuello y de la cabeza femoral mediante la implantacin de un componente que se articula con otro acetbulo (artroplastia total de recubrimiento) o con el acetbulo nativo (artroplastia parcial de recubrimiento). Este procedimiento ha experimentado un gran crecimiento entre los cirujanos ortopdicos motivado por la necesidad de ofrecer mejores resultados a largo plazo a los pacientes y extender las indicaciones de la artroplastia total de cadera entre grupos de poblacin, ms jvenes o ms activos, para lograr que las soluciones disponibles sean mayormente ptimas.Todos conocemos al cncer como una enfermedad que puede llegar afectar a cualquier persona, pero existe otra enfermedad a la que la mayora de la gente es vulnerable de padecer, la artritis. Las personas tienen un 50% de posibilidad en desarrollarla y a la larga de los aos este porcentaje puede aumentar el riesgo de las lesiones y provocando mucho dolor. Por esta enfermedad y otras situaciones que causan distintas afecciones, los pacientes toman como alternativa la opcin de recurrir a la ingeniera para reemplazar las partes desgastadas con partes binicas. Aunque existen las soluciones para ese problema, el cuerpo humano tiende a rechazar por la biocompatibilidad del implante. A lo largo de este ensayo, se enfocara en desarrollar un revestimiento para las prtesis de cadera y ayudar a evitar nuevas fracturas o lesiones.DesarrolloEl objetivo principal de la artroplastia de cadera es obtener una prtesis de la articulacin con bajo coeficiente de friccin, conservando la mayor parte del hueso y consiguiendo asi una fijacin correcta. Para que se pueda realizar una artroplastia de cadera es necesario que el paciente sea bien evaluado, tambin es muy importante que sea menor de 60 aos y que su organismo cuente con buena regeneracin sea.Como se haba mencionado, existen distintos tipos de artroplastias; lo tres tipos de prtesis de cadera ms comunes son: parcial, total y de superficie. Sus afecciones son lesin en el fmur, lesin en el fmur y acetbulo y lesin en la cabeza femoral respectivamente. El material que se utiliza para disear la prtesis es de gran importancia porque eso depender que tan viable es de soportar el peso de la persona afectada y generar los movimientos que necesita.Figura 1. Prtesis de caderaRecuperada de Biocermicos utilizados en aplicaciones mdicas y odontolgicas

En este caso, se ha investigado a muchas personas que despus de someterse a una artroplastia de cadera (Figura 1), siguen presentando nuevos problemas de movilidad debido a que en la unin de la prtesis el material metlico provoca un coeficiente de friccin y genera dolor constante e incomodidad al momento de caminar. Por este motivo surgieron los cermicos bioinertes los cuales tienen una buena biocompatibilidad con el organismo por medio de la osteointegracin, permitiendo al material tener una similitud con la composicin del hueso. En el caso de los bioinertes, hacen que el implante no tenga unin qumica con los tejidos en contacto e induce a que se forme una capa fibrosa alrededor.La propuesta a analizar son los materiales bioceramicos circonia e hidroxiapatita, debido a que en sus propiedades caractersticas, la circonia presenta mayor resistencia gracias a que su mdulo de Young es mucho menor que el de la almina y tambin facilita la integracin sea. Por el otro lado, la hidroxiapatita tiene la propiedad de completar o reemplazar tejidos por el proceso conocido como osteointegracin. CIRCONIA En la actualidad, la circonia como biomaterial es implementada debido a su alta estabilidad qumica y dimensional. En sus pruebas mecnicas se ha comprobado que posee excelente resistencia mecnica, resistencia a la flexin, resistencia a la fatiga y tenacidad a la fractura, lo que la caracteriza por ser superior en las dems propiedades de los materiales cermicos. Una de sus aplicaciones es en implantes dentales, pero el uso biomdico ms importante es en la fabricacin de cabezas femorales que componen las prtesis ortopdicas empleadas en las artroplastias de cadera. En estudios de la circonia estabilizada con itria (ZrO2-Y2O3), se diferencia por tener una estructura de grano fino conocida como circonia tetragonal cristalina (TZP), permitiendo tener las propiedades de sustitucin sea y la facilidad de poder interactuar con el hueso. Las circonias sinterizadas en un rango de 1500C-1700C ocasionan grietas, por ese es necesario la adicin de partculas tales como CaO, MgO, CeO2, Y2O entre otros, en la circonia pura para que de esta manera se pueda lograr la obtencin de materiales multifsicos que a temperatura ambiente se comportan como materiales monoclnicos y tetragonales, tambin conocidos como circonia parcialmente estabilizada (PSZ).Figura 2. Ejemplo del segmento articular en una prtesis de cadera

La circonia tiene tres fases cristalinas: monoclnica (M), cubica (C) y tetragonal (T, ms de 2370 C). La circonia pura es monoclnica a temperatura ambiente y se mantiene estable hasta los 1170 C, donde se transforma a tetragonal. Durante el enfriamiento de esta fase se vuelve a transformar a monoclnica y es aqu donde se puede aprovechar para aumentar la resistencia mecnica y tenacidad a la fractura como mencionamos anteriormente. Hidroxiapatita (HA)El fosfato de calcio ms utilizado en la fabricacin de implantes es la hidroxiapatita, por ser el compuesto ms parecido al componente mineral de los huesos; este material presenta distintas propiedades como biomaterial, tales como biocompatibilidad, bioactividad, osteoconductividad y un mtodo de unin directa al hueso (osteointegracion) . La HA en su forma monoltica no es conveniente para usar en partes que soporten peso. Por eso, la HA es ideal para usar como un recubrimiento de implantes metlicos (como el titanio por ejemplo utilizado en los implantes de adera).Como se ha dicho antes, la HA tiene muy buenas propiedades tales como bioactividad, sin embargo, si lo que se busca no es slo la integracin sino la regeneracin del tejido seo, es decir, la sustitucin del biomaterial por tejido neoformado, es necesario contar con un material que adems de ser bioactivo sea reabsorbible. El comportamiento de la HA depende de forma muy marcada de sus caractersticas especificas (estequiometria, cristalinidad, defectos, etc.), de forma que la HA sinttica obtenida por sintetizacin a altas temperaturas se considera prcticamente no reabsorbible, mientras que las apatitas carbonatadas, substituidas por silicio o deficiente en calcio de caractersticas similares a las biolgicas son reabsorbibles. En consecuencia, si lo que se busca es un material que sea reabsorbible, es necesario buscar mtodos de obtencin anlogos a los procesos naturales.

Silicio

El silicio (Si) es el segundo elemento ms abundante en la corteza terrestre (27.7% en peso) despus del oxigeno. Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio, se le utiliza desde hace miles de aos en la fabricacin del vidrio empleando para ello los silicatos. Desde aproximadamente mediados del siglo XX, se le ha utilizado en la industria electrnica y computacional. Es sabido que los microchips tienen como base el silicio. Tambin hay celdas solares fabricadas con base en este elemento. En la actualidad se estn desarrollando nanoestructuras a base de silicio y germanio, que presentan propiedades superconductoras, ya que pueden conducir la electricidad sin prdida apreciable de corriente. Desde el punto de vista de organismos unicelulares, las frstulas de las diatomeas pueden ser consideradas nanoestructuras; ellas son de gran inters por su delicado diseo propio de cada especie y que asemejan estuches labrados en miniatura. Debido a esto se pretende mimetizar su construccin usando la nanotecnologa. Los polisiloxanos, comercialmente conocidos como silicones o siliconas, son polmeros cuyo esqueleto consiste de tomos alternados de oxgeno y silicio y como grupos laterales contienen radicales orgnicos diversos. Los enlaces silicio-oxigeno son fuertes y la cadena que forman es muy flexible, lo que explica en buena medida las propiedades de estos polmeros. Las siliconas son muy estables, poco reactivas, por lo que pueden ser usadas, entre algunos de sus muchos campos de aplicacin, con fines mdicos (implantes) y en la industria de los alimentos; por ejemplo, tapetes y moldes para hornear comidas sin grasa, por solo citar dos reas de aplicacin. El ser humano es incapaz de transformar el silicio mineral que ingiere en silicio orgnico, ya que el primero de ellos no es asimilable por el organismo humano, sino que para dicha transformacin se requieren plantas o microorganismos. A pesar de que realiza multiples funciones en nuestro cuerpo, una de las mas importantes sin duda es el papel que tiene en la formacin de tejido conjuntivo y con ello, en la estructura del cabello, la piel y las uas .La cantidad de silicio organico en el hombre disminuye de forma irreversible a medida que envejecemos, sobre todo a partir de los 40 aos. Uno de los primeros signos de falta de silicio organico son los problemas articulares, que afectan a miles de personas en todo el mundo y cuya causa es la diferencia de silicio organico continuada a nuesra alimentacin. Adems, el acido silcico es una sustancia bsica para el tejido de sostn que requieran consistencia y firmez, los hueso, los cartlagos y los dientes. Teniendo asi varias funciones pero que en este caso las mas importantes son que es fundamental en la asimilacin del calcio, el fosforo, el magnesio y en la sntesis de vitamina D y si se tiene un dficit importante de silicio podra provocar artritis reumatoide u osteoartritisLas evidencias de diferentes estudios sugieren que el silicio es importante en la formacin de los huesos en animales. La biodisponibilidad del silicio en la dieta no es clara. De hecho, se asume que el silicio, como cido ortosilcico [Si (OH)4], est disponible nicamente en lquidos (tal como el agua para beber y la cerveza) pero no en todos los alimentos en los cuales existe como polmero debido a reacciones de condensacin entre monmeros del cido ortosilcico.En humanos, al dar un suplemento con silicio a mujeres posmenopusicas con osteoporosis no solo inhibi la prdida de hueso, sino que adems se increment el volumen trabecular seo y la densidad mineral del hueso.

Recubrimientos de hidroxiapatita sustituida por silicio La hidroxiapatita dopada con silicio ofrece un optimizado andamio para la regeneracin sea por proporcionar una bioestimulacion que acelera la regeneracin sea, adems de una microestructura optima con porosidad interconectada para una rpida formacin sea y una resorcin sea controlada que proporciona el andamio idneo durante el tiempo necesario a la formacin del hueso. Dentro de las ventajas que se tienen con la hidroxiapatita dopada se tiene que la composicin del producto es de 96% de HAP dopada y el liante solamente representa un 4% a la diferencia de algunos aloinjertos donde puede llegar a representar un 40% , adems que es resistente a la migracin y no se derrite ni tampoco se dispersa en fluidos biolgicos, pudiendo suportar las compensaciones musculares, hacindose de fcil manejo y agradable con una fuerte tendencia a la cohesin, y una ventaja mas importante es que es sinttico, libre de virus patgenos y totalmente reproductible en su elaboracin, lo que no es exactamente el caso con los aloinjertos cuya calidad y consistencia puede variar de un lote a otro Ya en 1972 se demostr que el silicio en ingesta directa era un elemento mineralizador de tejido y adems que al tener una ausencia de este se podra originar problemas en el desarrollo del hueso; fue entonces como comenzaron las investigaciones de hidroxiapatita sustituida con silicio, hasta ahora en informacin de polvo o grnulos.Es as como encontramos que se podra tener una produccin de recubrimientos de SI-HA, y el mtodo que utilizamos es el mtodo de abrasin laser que se puede explicar fcilmente: consiste en que un lser incide sobre un blanco que evaporiza y origina la abrasin que transforma el material al sustrato que queremos recubrir, que en este caso al hacerse una aplicacin final sera en un implante metlico (titanio). Para este caso, los blancos de abrasin los hemos formado con apatita comercial, una mezcla de hidroxiapatita comercial con silicio metlico y justamente para ese silicio metlico se propusieron tres fuentes: una fuente de silicio metlico, una de silicio y finalmente una de tierra de diatomeas, generando de esta manera tres series de recubrimientos variando la proporcin de 0 a 10% de silicio. Antes de comparar la biocompatibilidad del material se hizo un anlisis fisicoqumico para ver si se estaba incorporando ese silicio en la matriz de la hidroxiapatita y en cuanto a los resultados de anlisis por espectroscopia infrarroja como los resultados de difraccin de rayos X y de XPS mostraron en todos los casos que efectivamente el silicio se incorpora en la matriz de la apatita(que la matriz es una hidroxiapatita) y se compar con un anlisis de hidroxiapatita pura, y a medida que se incorpor el silicio ese material se va haciendo ms amorfo pero sigue siendo hidroxiapatita sustituida con silicio y se obtuvo una reduccin de la cristalinidad.Para profundizar en el anlisis fisicoqumico se hicieron algunas medidas por enlace de iones cuyos resultados se muestran en la figura:Lo que se remarca en la siguiente grafica es la concentracin en las capas en porcentaje atomico de elementos mayoritarios como calcio, fosforo y el silicio se observ que en funcin de la concentracin de silicio en el blanco como el fosforo y el calcio (azul y morado) se mantienen constantes mientras que el silicio (rojo) se va incrementando de forma lineal a medida que se fue incorporado en el blanco y se va trasladando al recubrimiento por lo tanto se compueba que se estn incorporando esos iones metlicos en la hidroxiapatita.Grafica 1. Concentraciones HA - SI

Para la biocompatibilidad de este material se realizo primero un test celular in vitro en el cual se hizo un ensayo de rojo neutro para la citotoxicidad y anlisis morfolgicos y para el segundo se llev acabo un test in vivo utilizando un fmur de conejo, implantes de TI y TI recubierto de SI-HA en periodos de tiempo de 1,4 y 12 semanas y viendo los resultados se comprob que no es citotxico. En los ensayos in vivo se obtuvo que mientras aumenta el tiempo de implantacin el tejido va madurando e interacta cada vez ms con el implante, no hay rechazo y el tejido seo se recupera normalmente, generando as un proceso de osteointegracion celular.

Revestimiento para prtesis de cadera. Posible fabricacin Una vez analizados los materiales de esta manera, podemos afirmar que dentro de los cementos seos, dentro los cuales encontramos el circonio y la hidroxiapatita, estos corresponden a los polmeros que se utilizan mayoritariamente en la ciruga ortopdica con el objetivo de fijar prtesis articulares. Estos cementos se utilizan no solo como relleno entre la prtesis y el hueso sino que tambin proporcionan un medio para transferir cargas mecnicas y mantener establecida una unin hueso-material.

Como se sabe hasta ahora, los cementos seos convencionales preparados tradicionalmente con metacrilato de metilo y polimetacrilato de metilo (materiales actualmente utilizados para la elaboracin de recubrimientos y prtesis articulares de cadera), exhiben un contenido elevado de monmero residual, elevados calores de reaccin y un elevado porcentaje de contraccin. Estas propiedades se traducen en una necrosis del tejido circundante por accin qumica y trmica y, finalmente, en un comportamiento mecnico inadecuado que conduce al aflojamiento de la prtesis.

Sin embargo, estos polmeros, el circonio y la hidroxiapatita presentan propiedades fsicas, qumicas y otras de ndole prctico que los hacen atractivos para estas aplicaciones y principalmente, para formar recubrimientos en las prtesis articulares de la cadera. Es por ello que los estudios actuales estn encaminados a crear nuevas formulaciones de cementos seos que incluyan en su composicin activadores de baja densidad que puedan iniciar acabo un proceso de osteointegracin.

De esta manera, imaginemos una fusin o compartimiento de propiedades entre estos dos materiales Qu beneficios o desventajas podra presentar la mezcla de estos dos materiales? Ahora analicemos un poco ms a fondo.

Principalmente, se tendra que buscar reducir las superficies de friccin entre las diversas carillas articulares de las prtesis. El objetivo de las superficies de friccin es la menor produccin de partculas de desgaste y, secundariamente, la reduccin a medio y largo plazo de la osteolsis, causa principal del aflojamiento a largo plazo de los implantes. Las investigaciones se dirigen a conseguir superficies de friccin que produzcan el mnimo de partculas de desgaste o de las caractersticas de estas no induzcan la reaccin osteolitica, con lo que el biomaterial de circonio-itria podra ser un posible candidato para mejorar esta situacin dentro del revestimiento. De igual manera, se puede observar que las biocermicas como la hidroxiapatita son resistentes a la corrosin, a la oxidacin y a las fuerzas de compresin pero frgiles a las de cizallamiento o tensin; por otra parte, el circonio es ms resistente a la fractura, pero los cambios de temperatura pueden modificar su estructura y favorecer, a la larga, el mayor desgaste y la rotura, que de igual forma, puede llegar a comportarse mejor si su uso combinado resulta exitoso.

Figura 3. Recubrimiento con Hidroxiapatita de la protesis de cadera

Otro problema, generalmente menor, con el uso de las cermicas es la dificultad para conseguir la fijacin del injerto del compuesto con el cotilo de la prtesis y el hueso. Algunos diseos podran lograr incorporar el circonio para su fijacin y la hidroxiapatita para llevar acabo el proceso de adherencia y renovacin al hueso femoral, para de esta manera prevenir el problema y evitar daar la cermica y mantener una fijacin normal entre el material y el hueso.

Han sido numerosas las publicaciones sobre la efectividad del recubrimiento de Hidroxiapatita en prtesis de cadera. A corto plazo, los resultados clnicos de los vstagos recubiertos con Hidroxiapatita han sido equiparables y habitualmente superiores a los de prtesis no recubiertas con igual diseo. A mediano plazo, la supervivencia de los componentes femorales recubiertos han presentado muchsimo menos movilidad del implante en los controles radiolgicos sucesivos, tanto en el componente femoral como en el acetbulo, cuando estos estn recubiertos de este material. En estudios con seguimientos ms largos de 10 y 12 aos, los ndices de supervivencia de las prtesis recubiertas han sido superiores en el 97 % de los casos.

Por ello, se presenta la posible solucin realizando modificaciones en la HA (hidroxiapatita) y el circonio, mezclando las propiedades de la HA (dureza, resistencia al desgaste, principios de osteointegracin) con las del zirconio (adherencia, resistencia a las fracturas) lo cual permitira conseguir minimizar las complicaciones descritas y mejorar el tiempo de vida, el uso y la fabricacin del recubrimiento en una prtesis de este tipo.

CostosUn costo aproximado de la hidroxiapatita ya sintetizada con silicio, oscila aproximadamente alrededor de los 300 euros (aprox. 6000 pesos), y el precio de la circonia ya sintetizada de igual forma con itria se establece dentro de los rangos de 200 a 250 euros (aprox. 4000 pesos). Se cotiza que el precio de unin de los dos biomateriales no supere el costo de los 8000 pesos, y con el intervimiento quirrgico la cantidad total ya con el mtodo de implantacin dentro de la prtesis de cadera finalice con un total de aproximadamente 20,000 a 30,000 pesos, ofreciendo una garanta de por lo menos 20 aos por las combinaciones de las propiedades de ambos materiales.

ConclusionesCon lo expuesto anteriormente, se puede determinar que en el empleo de este recubrimiento, si existe la combinacin de estos dos compuestos en la fabricacin que facilite la fijacin, que elimine la friccin hueso-prtesis, y que involucre la fusin de ambas propiedades entre un material y otro, podra favorecer de una manera casi perfecta el uso de este recubrimiento en las prtesis de cadera, generando de esta manera muchsimas ventajas y ayudas a los pacientes con este tipo de biomateriales y minimizando exponencialmente las desventajas que podran suscitarse a la larga. REFERENCIAS:

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